Мерседес клуб (Форум Мерседес). Mercedes-Benz Club Russia - М113 Vs М119, конструктивные особенности М113

Мне стало интересно, почему на смену многоклапанному М119 пришел М113 с меньшим количеством клапанов и другими упрощениями в конструкции. Кроме того, М119, на сколько мне известно проектировался как V8, в то время как М113, основывается на М112.

Информацию, больше похожую на пресс-релиз я нашел на англоговорящих сайтах и перевел. Возможно, у вас есть своя точка зрения относительно тех или иных усовершенствований, а также практический опыт эксплуатации обоих двигателей.

Двигатель имеет обозначение М113.940
Объем двигателя 4.3 л (4266 см3)
Диаметр цилиндра 89,9 мм
Ход поршня 84 мм.
Мощность 205 кВт / 279 л.с. при 5750 об/мин
Крутящий момент 400 Н•м при 3000 - 4400 об/мин

Устанавливался на следующие автомобили:

1998-2003 CLK430
1998-2002 E430
1999-2001 ML430
1998-2000 C43 AMG (форсирован до 302 л.с. (225 кВт) и 409 Н•м)
1999-2006 S430

Мерседес E430 оснащается двигателем 4.3 V8, внутреннее обозначение двигателя М113.940. Архитектура M113 использовалась при постройке трех типов двигателей объемом 4.3, 5.0 и 5.5 литра, которые имели как безнаддувные модификации, так и версии с нагнетателем. Конструкция M113 имеет ряд интересных особенностей, первое, что бросается в глаза это головка блока с тремя клапанами на цилиндр имеющая два впускных клапана и один выпускной. У многих возникает вопрос: «почему три клапана?», до появления M113, Mercedes-Benz уже использовал двигателя с бóльшим количеством клапанов, примером тому может служить двигатель М119 с четырьмя клапанами на цилиндр. Многоклапання технология, на тот момент, уже не была новой, что же заставило инженеров Mercedes-Benz заняться разработкой двигателей с меньшим количеством клапанов?

Одна из возможных причин, это стоимость изготовления. Предшественник M119, представляется более дорогим. Этот двигатель использует двухраспредвальный тип головки для управления четырьмя клапанами на цилиндр. Наличие дополнительных распредвалов, кулачков, клапанных пружин, направляющих втулок клапанов, коромысел, седел клапанов, колпачков головки цилиндров, а также стоимость обработки головки блока цилиндров в общей сложности увеличивают расходы на производство в сравнении с M113.
Но с другой стороны движение в сторону большего количества клапанов, кажется логичным шагом. К примеру, Ferrari используют пяти клапанные механизмы.
В компании Mercedes-Benz закладывая высокие расходы важно получить соответствующий результат. До того как сделать выводы отметим, что же получил производитель благодаря упрощению конструкции.

На бумаге, архитектура M113 выглядит достаточно впечатляюще. Каждая головка блока имеет один полый распредвал, приводящийся двойной цепью и шестернями, покрытыми резиной. Этот легкий клапанный механизм имеет по две оси, приводящие клапанные коромысла в каждой головке блока. Ось клапанного коромысла оснащена роликовыми толкателями, алюминиевыми коромыслами клапанов, которые имеют низкий коэффициент трения, система не требует регулировки, поскольку коромысла имеют маленькие гидравлические толкатели (гидрокомпенсаторы). К сожалению, это не указывает, на что эта система имеет явные преимущества по сравнению с конструкцией M119.

При сравнении двигателей, одним из показателей эффективности является мощность, 4.2 литровый M119 выдает 279 лошадиных сил и 400 Н•м крутящего момента, 4.3 литровый М113 имеет такие же пиковые показатели, но мощность реализована в более широком диапазоне оборотов. Это становится очевидным при сравнении E420 (1997) и E430 (1998), автомобили абсолютно идентичны за исключением двигателей, время разгона от 0 до 100 км/ч составляет соответственно 7,1 и 6,6 секунды в соответствии с данными Mercedes-Benz. Первоначально можно было бы подумать, что все дело в дополнительных 100 кубиках объема, но экономия топлива также улучшилась в среднем на 13% (в соответствии с данными Mercedes-Benz).
Кроме того, инженерам Mercedes-Benz удалось достать второго кролика из шляпы - снижение количества вредных выбросов в атмосферу. В определенных режимах эксплуатации количество выбросов уменьшается вплоть до 40%.

В отличие от М119, М113 имеет только один выпускной клапан, его площадь на 30% меньше, нежели общая площадь двух выпускных клапанов у предшественника, вдобавок он имеет меньшую массу (стержень заполнен натрием). Таким образом, в условиях холодного пуска этот клапан отбирает на себя меньшее количество тепла, что способствует быстрому прогреву двигателя и лучшему перераспределению тепла отработанных газов. Чтобы сохранить тепло выхлопных газов выпускной коллектор имеет двойные стенки и бесшовную конструкцию, изготавливается он при помощи литья под давлением, что делает его более прочным и легким.
Не смотря на уменьшение площади выпускного клапана, потери производительности нет, поскольку процесс выброса отработанных газов занимает меньше времени, нежели процесс впуска топливовоздушной смеси. В соответствии с этим размеры впускных и выпускных клапанов подобраны оптимально.

Уменьшив количество клапанов, производитель добился большего пространства в головке блока. Это дало возможность инженерам Mercedes-Benz, использовать две свечи зажигания в одном цилиндре, создавая два фронта пламени, что улучшает эффективность сгорания, и позволяет сжигать большее количество топлива.
Две свечи зажигания, размещенные в каждом из цилиндров, срабатывают в быстрой последовательности одна за другой, интервалы срабатывания зависят от нагрузки на двигатель и скорости автомобиля. Эти последовательности (а также углы опережения зажигания) изменяются после каждого цикла сгорания вследствие чрезвычайно точного управления процессом сгорания. Что также позволяет контролировать давление в камере сгорания, сводя к минимуму шумы, производимые двигателем без ущерба для эффективности. Эта новая система зажигания двигателя позволяет использовать очень бедные топливовоздушные смеси и уменьшать углы опережения зажигания в пределах 5-19 градусов в течение цикла прогрева двигателя.

Глядя на все преимущества, которые нам дает головка блока с меньшим количеством клапанов, мы видим, что использование конструктивных особенностей M113 было не просто дешевой альтернативой. Подобные усовершенствования использовались и в других двигателях компании.

Другие части двигателя также имеют интересные нововведения. Например, здесь используются гильзы цилиндров, отлитые из алюминиево-кремниевого сплава, который обладает низким коэффициентом трения. Гильзы цилиндров также повышают жесткость алюминиевого блока. Поставщиком гильз для компании Mercedes-Benz является компания Mahle, широко известный поставщик алюсиловых гильз. Алюсил это сплав алюминия, который имеет высокое содержание кремния (сплав известен более 100 лет). Для получения необходимых свойств гильзу погружают в раствор сильных концентрированных кислот, которые частично выедают алюминий, оставляя на поверхности слой кремния. Так что покрытием его можно назвать только с натяжкой.
При производстве блок цилиндров отливают под давлением вокруг гильз, потому производитель не подразумевает их последующую замену и не поставляет их в запчасти. Но это не означает, что их нельзя заменить.
Двигатель имеет кованный стальной коленвал, шатуны выкованные из цельного листа стали и отформованные под давлением. Что делает эти детали более прочными.

Эти и другие изменения позволяют снизить внутренние напряженности в деталях двигателя на 45%.

Применение новых материалов также привело к снижению веса конструкции почти на 50% по сравнению с чугунным блоком, головки блока также изготовлены из алюминия, клапанные крышки и выпускной коллектор из легкого магний-аллюминиевого сплава.
Помимо того, что впускной коллектор для обычного атмосферного M113 V8 имеет небольшой вес, он является достаточно компактным изделием (каналы располагаются спирально). Внутри, впускной коллектор имеет восемь клапанов, воздух может идти как по длинному, так и по короткому пути (400 мм – короткий, 800 мм - длинный). Благодаря изменяемой геометрии впускного коллектора, двигатель становится достаточно эффективным в широком диапазоне оборотов.

Таким образом, несмотря на врожденные недостатки трехклапанной схемы, конструкторам удалось добиться приемлемой экономичности, мощности и гибкости для двигателей данной серии.